背景
- “双碳”目标下，风光发电占比持续提升，预计2030年将超过50%成为主体电源。
- 当前风光电源占比过高引发电网问题：电压强度减弱、系统惯性降低、“限发电”突出、宽频振荡、暂态电流支撑不足。
- 海上风电发展迅速，深远海风电基地开发成为重点，2030年并网规模将达1.5亿千瓦，直直流送出成为必然趋势。
问题与挑战
- 风光发电单元与同步发电机组的区别：交流并网和直流并网两种主力电源型新能源发电方式。
- MMC柔直换流器用于海上存在体积大、成本高的问题，降低成本是核心竞争力。
- 二极管整流器优势明显，但风电场送出功率控制、机组启动、无功功率提供等技术挑战突出。
西门子二极管整流器组网方式设想
- 采用辅助供电系统启动风电机组，使用GPS信号同步，风电机组提供无功支撑。
- 通过岸上AC/AC控制PPC点电压实现送出功率控制。
上海交通大学提出的混合换流送出方案
- 风电场采用辅助变换器与二极管整流器并联运行，辅助变换器建立风场侧交流电压、提供启动功率和并网电压、控制PPC点电压、提供无功补偿。
- 风电场无需改动，可按常规方式运行。
混合换流器技术细节
- 拓扑结构：二极管整流器（12/18脉波）、辅助换流器（高压子模块串、三相交流输出单元、LC谐振支路、变压器）。
- 辅助换流器调制方法：通过高频环流实现能量均衡，LC支路在环流频率处谐振。
- 交流侧分析与控制：三端系统模型（风电场、二极管整流器、辅助变换器），辅助变换器采用V/f控制调节功率分配。
- 辅助变换器参数设计：容量依据风电场内部无功容量需求，高频环流与电压计算，无功补偿容量计算。
- 故障保护策略：辅助耗能（增加耗能电阻和机械开关）、协调穿越（风机+耗能装置协同）。
仿真分析结果
- 辅助换流器提供有功时产生300Hz高频环流电流，二极管整流器直流侧谐波流入辅助换流器，直流母线电流不含谐波。
- 岸上交流电压跌落故障仿真分析：故障时序、直流母线电压峰值、频率稳定情况。
实验系统及验证
- 实验平台：两电平变换器模拟风电场侧输出电流，验证功率转移的稳态运行和动态过程。
- 实验结果：功率转移前后稳态运行和动态过程验证成功。
工程样机设计
- 设计20MW/30kV混合换流器工程样机，开展2GW混合换流系统工程样机设计。
- 构建高性能控制保护系统，核心控制器数据处理芯片主频1GHz，实时控制光纤通信频率20MHz，控制链路延时低于150μS。
海风-混合换流送出系统讨论
- 与MMC柔直换流器相比，混合换流器成本降低30%以上，直流送出系统仍需要卸荷装置，发电与电网企业界面清晰。
风电新型构网控制二极管整流送出并网系统
- 机组控制改动小、无需无功补偿装置、可黑启动。
- 基于网侧变换器的风场汇集网频率-无功功率自平衡控制策略。
125台全开关模型机组启动与运行仿真分析
- 频率变化、风场内网电压分布、风电机组并网电流。
- 故障特性：直流短路故障、并网点低电压故障，无过流问题，故障恢复迅速。
控制与保护策略工程实证
- 新疆达坂城华冉风电场示范工程于2022年5月投运，验证了系统的可行性。
三山岛海风直流多端异构直流输电工程
- 6GW，100km，分三期建设，全球首个远海风电海陆一体、多端异构、风直协同的±500千伏直流输电工程。
- 工程特点：海陆一体、多端异构、风直协同，首创辅助弱联络多端异构拓扑，不依赖集中耗能故障穿越。
风电-柔直并网系统的自同步电源控制
- 受端换流器采用惯性同步控制，送端换流器频率镜像，风场感知频率变化释放惯量或参与调频。
- 控制策略改进：采用正负极对地电压差传递电网频率，解决长距离海缆压降和故障直流电压突增问题。
- 基于内电势冻结与虚拟导纳+电流内环限幅思想，实现电网故障稳定穿越与短路电流支撑。
仿真分析
- 风电功率1200MW，电网短路比7.5，负载突增时频率稳定。
- 基于华东电网区域断面等值模型，不同新能源渗透率下，风电-柔直系统对电网频率的支撑效果显著。
总结
- 混合型换流器克服二极管整流器性能缺陷，解决机组启动与并网、送出功率控制、无功支撑等问题，具有谐波补偿能力，无需风电场改动，可行性高。
- 海上换流器改为二极管整流器，控制功能前置，实现海风直流送出，成本最低，最具竞争力。
- 构网型海风直流系统使海上风电整体从跟随型电源转变为支撑型电源，是构建新型电力系统的关键技术之一。
